FR2552217A1 - Rotating apparatus for heat exchange with regeneration - Google Patents

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Abstract

The rotating heat exchanger with regeneration is intended to send the heat from a current of hot exhaust gases to independent primary and secondary air currents flowing through a single heat exchanger. The primary air current is completely surrounded by the secondary air current, under high pressure, thanks to a special sealing device consisting of short sector plates 54 for the primary air current and standard sector plates 26 for the secondary air current. Application to power plant.

Description

L'invention concerne un échangeur de chaleur rotatif à régénération comportant un rotor cylindrique qui présente plusieurs compartiments sectoriels. Les compartiments contiennent une masse de matière absorbant la chaleur de manière qu'une rotation du rotor entre des canalisations distinctes, parcourues par des fluides chauds et froids, ait pour effet, sur la matière absorbant la chaleur, de lui faire d'abord absorber de la chaleur provenant du fluide chaud, puis de lui faire céder cette chaleur au fluide plus froid. Les compartiments du rotor sont formés entre des diaphragmes radiaux qui s 'étendent radialement vers l'extérieur, d'un arbre central du rotor jusqu'à une enveloppe de ce rotor, concentrique à l'arbre. Ce dernier et l'enveloppe du rotor comportent, à leurs bords extrêmes, des moyens d'étanchéité qui retiennent les différents fluides dans leurs compartiments respectifs. The invention relates to a regenerative rotary heat exchanger comprising a cylindrical rotor which has several sectoral compartments. The compartments contain a mass of heat absorbing material so that a rotation of the rotor between separate pipes, traversed by hot and cold fluids, has the effect, on the heat absorbing material, of first absorbing heat from the hot fluid, and then give it that heat to the cooler fluid. The rotor compartments are formed between radial diaphragms which extend radially outwards, from a central shaft of the rotor to an envelope of this rotor, concentric with the shaft. The latter and the envelope of the rotor comprise, at their extreme edges, sealing means which retain the various fluids in their respective compartments.

Dans de nombreuses centrales d'énergie modernes, de l'air à préchauffer est divisé en courants primaire et secondaire, le courant d'air primaire devant être utilisé dans un équipement auxiliaire sous une pression très supérieure à celle de l'air secondaire qui est utilisé pour la combustion. Attendu que les tuyauteries et besoins d'étanchéité des courants dgair sous différen- tes pressions peuvent différer considérablement, les courants d'air primaire et secondaire sont habituellement chauffés dans des réchauffeurs d'air séparés Cette pratique exige une redondance d'équipement, nettement désavantageuse d'un point de vue économique.Divers essais ont port sur le préchauffage à la fois de l'air primaire et de l'air secondaire dans un préchauffeur d'air rotatif unique à régénération, comme décrit dans les brevets des Etats-Unis dxAsérique NO 2 347 857, N" 2 795 213 et N 2 899 179. Cependant, la perte de rendement due à la fuite directe de 1 t air primaire sous haute pression vers le gaz et l'entrainement ou l'fuite entraînée" dû à la retenue d'une certaine quantité d'air
sous haute pression dans les compartiments du rotor lorsque ce dernier passe d'une conduite d'air à une conduite de gaz ont rendu ces installations peu intéres- santes pour la plupart des applications.
In many modern power plants, air to be preheated is divided into primary and secondary streams, the primary air stream to be used in auxiliary equipment at a pressure much higher than that of the secondary air which is used for combustion. Since the piping and sealing needs of air streams under different pressures can differ considerably, the primary and secondary air streams are usually heated in separate air heaters. This practice requires redundant equipment, which is clearly disadvantageous. from an economic point of view. Various tests have been carried out on the preheating of both primary and secondary air in a single rotary regenerative air preheater, as described in United States patents dxAmerica NO 2 347 857, N "2 795 213 and N 2 899 179. However, the loss of efficiency due to the direct leak of 1 t primary air under high pressure towards the gas and the entrainment or entrained leak" due to retaining a certain amount of air
under high pressure in the rotor compartments when the latter passes from an air line to a gas line have made these installations unattractive for most applications.

L'invention concerne donc un préchauffeur d'air rotatif unique à régénération qui préchauffe efficacement les deux courants d'air primaire et secondaire. The invention therefore relates to a single regenerative rotary air preheater which efficiently preheats the two primary and secondary air streams.

L'invention concerne plus particulièrement un dispositif qui évite toute fuite par entraSnement de l'air primaire sous haute pression vers la conduite de gaz. De plus, toute fuite directe de l'air primaire pénètre dans la conduite parcourue par l'air secondaire pour la combustion, ce qui maintient un rendement global élevé.The invention relates more particularly to a device which prevents any leakage by entrainment of the primary air under high pressure towards the gas pipe. In addition, any direct leakage of primary air enters the line through which the secondary air for combustion passes, which maintains a high overall efficiency.

Le dispositif selon l'invention comprend deux plaques classiques à secteurs placées aux extrémités opposées du rotor, recouvrant les extrémités des comparti mentis qui s'étendent entre les conduites faisant passer l'air et le gaz à travers le rotor. De plus, deux plaques a secteurs courts s'étendant à l'intFrteur de la canalisation d'air, sont reliées à leurs extrémités par des moyens circulaires d'étanchéité afin de renfermer le couloir d'air primaire qui s'étend en totalité à l'int6- rieur du courant d'air secondaire.Ainsi, toute fuite par entrainement de l'air primaire au-delà des plaques à secteurs courts et toute fuite directe au-delà du joint circulaire aboutissent dans le courant d'air secondaire où l'air de fuite est totalement utilisé dans le processus de combustion, et non perdu vers les gaz s'échappant vers l'atmosphère. The device according to the invention comprises two conventional sector plates placed at the opposite ends of the rotor, covering the ends of the compartments which extend between the pipes passing air and gas through the rotor. In addition, two plates with short sectors extending inside the air duct, are connected at their ends by circular sealing means in order to enclose the primary air corridor which extends entirely to inside the secondary air stream. Thus, any leakage by entrainment of primary air beyond the short sector plates and any direct leakage beyond the circular joint end up in the secondary air stream where the leakage air is completely used in the combustion process, and not lost to the gases escaping to the atmosphere.

L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels
- la figure 1 est une coupe axiale d'un préchauffeur d'air rotatif à régénération selon l'invention
- la figure 2 est une vue en bout du rotor suivant la ligne 2-2 de la figure 1 ; et
- les figures 3 et 4 sont des vues schématiques en bout montrant divers agencements utilisés pour former des couloirs séparés, à travers le préchauffeur d'air rotatif, pour l'air primaire et l'air secondaire.
The invention will be described in more detail with reference to the attached drawing by way of non-limiting examples and in which
- Figure 1 is an axial section of a rotary regenerative air preheater according to the invention
- Figure 2 is an end view of the rotor along line 2-2 of Figure 1; and
- Figures 3 and 4 are schematic end views showing various arrangements used to form separate corridors, through the rotary air preheater, for primary air and secondary air.

et pour les gaz chauds d'échappement.and for hot exhaust gases.

Le dispositif représenté sur le dessin est un échangeur rotatif de chaleur à régénération comportant une enveloppe de rotor cylindrique 10 et un arbre -central 12 de rotor duquel s'étendent radialement des diaphragmes 14 dont les extrémités sont reliées à l'arbre et à l'enveloppe du rotor afin que ces diaphragmes forment entre eux plusieurs ccapsctiments 15 en forme de secteurs. Les compartiments sont conçus pour contenir une masse de matière absorbant la chaleur qui est exposée alternativement à un gaz chauffant et à de l'air plus froid afin que l'élément puisse absorber de la chaleur du gaz et, à la suite d'une rotation du rotor, la céder à l'air plus froid. The device shown in the drawing is a rotary regenerative heat exchanger comprising a cylindrical rotor casing 10 and a central shaft 12 of the rotor from which radially extend diaphragms 14, the ends of which are connected to the shaft and to the envelope of the rotor so that these diaphragms form between them several ccapsctiments 15 in the form of sectors. The compartments are designed to contain a mass of heat absorbing material which is alternately exposed to a heating gas and cooler air so that the element can absorb heat from the gas and, following rotation of the rotor, give it to the cooler air.

Le rotor est supporté par une butée axiale 18, à une extrémité, et par un palier 20 de guidage à l'autre extrémité, à l'intérieur d'un corps 22, et il est entraîné de façon à tourner sur son axe par tous moyens commodes d'entraînement, tels qu'un moteur 24. The rotor is supported by an axial stop 18, at one end, and by a guide bearing 20 at the other end, inside a body 22, and it is driven so as to rotate on its axis by all convenient drive means, such as a motor 24.

Le corps 22 du rotor comprend, entre ses extrémités opposées, des plaques 26 à secteurs s'étendant entre des ouvertures espacees 28-30 qui font passer le gaz chaud d'échappement et l'air froid à réchauffer à travers la matière d'absorption de chaleur du rotor. The body 22 of the rotor comprises, between its opposite ends, plates 26 with sectors extending between space openings 28-30 which pass the hot exhaust gas and the cold air to be heated through the absorption material rotor heat.

Les plaques 26 à secteurs s'étendent sur un arc de cercle afin de recouvrir les extrémités ouvertes de compartiments espacés en forme de secteurs du rotor de manière qu'elles ferment séquentiellement les compartiments espacés entre les conduites d'air et de gaz pour former des zones "mortes" ou d'étanchéité entre les couloirs destinés aux gaz à basse pression et à l'air à haute pression. De plus, les moyens circonférentiels classiques 32 d'étanchéité sont prévus sur la périphérie du rotor de façon à frotter contre le corps entourant le rotor et réduire ainsi la fuite d'air à l'extérieur de la conduite de gaz, vers l'intérieur de l'espace compris entre le rotor et son corps et donc vers l'interieur de la conduite de gaz.De façon similaire, des joints 34 d'arbre sont destinés à empêcher l'écoulement de l'air de chaque compartiment vers le couloir de gaz à basse pression. The sector plates 26 extend over an arc of a circle in order to cover the open ends of compartments spaced in the form of sectors of the rotor so that they sequentially close the compartments spaced between the air and gas pipes to form "dead" or sealing zones between the corridors intended for low pressure gases and high pressure air. In addition, the conventional circumferential sealing means 32 are provided on the periphery of the rotor so as to rub against the body surrounding the rotor and thus reduce the air leakage outside the gas pipe, towards the inside. of space between the rotor and its body and therefore towards the inside of the gas pipe. Similarly, shaft seals 34 are intended to prevent the flow of air from each compartment to the corridor gas at low pressure.

La figure 3 représente schématiquement un dispositif classique permettant le préchauffage de l'air primaire sous haute pression et de l'air secondaire sous une pression inférieure, séparément l'un de l'autre, dans un échangeur de chaleur rotatif à régénération. FIG. 3 schematically represents a conventional device allowing the preheating of the primary air under high pressure and of the secondary air under a lower pressure, separately from each other, in a rotary heat exchanger with regeneration.

Dans ce cas, une plaque supplémentaire 36 à secteur identique aux plaques 26 à secteurs, est placée entre ces dernières et à u- certaine distance de celles-ci afin de former un couloir séparé 38 pour l'écoulement de l'air primaire. Cependant, toute fuite d'air primaire au-delà du joint 32 s'étendant entre les extrémités des plaques 26 et 36 à secteurs pénètre dans l'espace annulaire compris entre l'enveloppe 10 du rotor et le corps l'entourant avant de pénétrer dans le gaz d'échappement sous basse pression et d'entre perdue à l'atmosphère.In this case, an additional plate 36 with a sector identical to the sector plates 26 is placed between the latter and at a certain distance from them in order to form a separate passage 38 for the flow of primary air. However, any leakage of primary air beyond the joint 32 extending between the ends of the sector plates 26 and 36 enters the annular space comprised between the envelope 10 of the rotor and the body surrounding it before penetrating. in the low pressure exhaust gas and lost to the atmosphere.

Un autre dispositif, représenté sur la figure 4, nécessite l'utilisation d'une paroi de corps annulaire 44 dans le rotor, concentriquement à l'enveloppe extérieure 10. Cette paroi coopère avec des joints circonférentiels indiqués en 46 et un joint d'arbre indiqué en 48 afin de renfermer un couloir 52 entre les plaques 26 à secteurs. Another device, shown in FIG. 4, requires the use of an annular body wall 44 in the rotor, concentrically with the outer envelope 10. This wall cooperates with circumferential seals indicated at 46 and a shaft seal indicated at 48 in order to enclose a corridor 52 between the sector plates 26.

Dans ce cas, il existe un excédent d'air primaire fuyant du couloir 52 en raison de la grande longueur du joint circonférentiel 46 et du joint d'arbre 48. De plus, la quantité d'air primaire entratnée dans les compartiments du rotor, lorsqu'ils se déplacent au-dessous des plaques à secteurs 26, s'échappe directement dans la conduite de gaz où cet air est perdu vers l'atmosphère.In this case, there is an excess of primary air leaking from the passage 52 due to the large length of the circumferential seal 46 and of the shaft seal 48. In addition, the quantity of primary air drawn into the compartments of the rotor, when they move below the sector plates 26, escapes directly into the gas line where this air is lost to the atmosphere.

Conformément à l'invention, le rotor comporte une paroi cylindrique 44 concentrique à l'enveloppe extérieure 10 du rotor. De plus, le corps comporte deux plaques à secteurs courts 54 qui sont alignées axialement avec les plaques à secteurs 26 et qui en sont espacées dans le couloir d'air traversant le rotor. Un espace ouvert 56 est délimité à l'extérieur des plaques à secteurs courts 54 et un espace 58 est délimité entre elles de façon à former un couloir pour l'air primaire (sous haute pression). Un joint d'arbre indiqué en 62, disposé le long de la periphérie intérieure de l'espace 58 et un joint circonférentiel intérieur 63, situé entre une membrane courbe 64 et la paroi 44, coopèrent avec les plaques à secteurs courts pour assurer l'étanchéité et fermer l'espace 58 afin d'empêcher l'air primaire d'en fuir . De plus, toute fuite directe de l'air primaire au-delà du joint 63 et toute fuite par entraSnement de l'air primaire contenu dans un compartiment du rotor, à son passage au-dessous d'une plaque à secteurs courts 54, sont dirigées vers l'intérieur du couloir d'air secondaire 56 oû cet air est utilisé comme air de combustion, et non perdu vers l'atmosphère. According to the invention, the rotor has a cylindrical wall 44 concentric with the outer casing 10 of the rotor. In addition, the body comprises two short sector plates 54 which are axially aligned with the sector plates 26 and which are spaced therefrom in the air passage passing through the rotor. An open space 56 is delimited outside the short sector plates 54 and a space 58 is delimited between them so as to form a corridor for the primary air (under high pressure). A shaft seal indicated at 62, disposed along the inner periphery of the space 58 and an inner circumferential seal 63, located between a curved membrane 64 and the wall 44, cooperate with the short sector plates to ensure the seal and close space 58 to prevent primary air from leaking out. In addition, any direct leakage of primary air beyond the seal 63 and any leakage by entrainment of primary air contained in a compartment of the rotor, as it passes below a short sector plate 54, are directed towards the interior of the secondary air corridor 56 where this air is used as combustion air, and not lost to the atmosphere.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention.  It goes without saying that many modifications can be made to the device described and shown without departing from the scope of the invention.

Claims (4)

REVENDICATIONS 1. Appareil rotatif d'echange de chaleur à régénération, caractérisé en ce qu'il comporte une enveloppe cylindrique (10) de rotor et un arbre central (12) de rotor, plusieurs diaphragmes (14) non perforés reliant l'arbre à l'enveloppe du rotor afin de former entre eux plusieurs compartiments (15) en forme de secteurs, une masse de matière absorbant la chaleur contenue dans chaque compartiment du rotor, une paroi cylindrique (44) divisant concentriquement le rotor en un couloir intérieur et un couloir extérieur, des moyens (24) destinés à faire tourner le rotor sur son axe, un corps (22) entourant le rotor et comprenant deux plaques (26) à secteurs situées aux extrémités opposées du rotor et s'étendant radialement afin de séparer un courant de gaz chaud d'un courant d'air secondaire s'écoulant axialement à travers le rotor, deux plaques à secteurs courts (54) disposées dans le courant d'air secondaire, et des moyens circonférentiels (63) d'étanchéité qui s'étendent en arc de cercle afin de relier les extrémités des plaques a secteurs courts pour définir un couloir pour un courant d'air primaire sous haute pression, sensiblement entouré par l'air secondaire. 1. Rotary regenerative heat exchange device, characterized in that it comprises a cylindrical casing (10) of rotor and a central shaft (12) of rotor, several diaphragms (14) non-perforated connecting the shaft to the rotor housing in order to form between them several compartments (15) in the form of sectors, a mass of heat absorbing material contained in each compartment of the rotor, a cylindrical wall (44) concentrically dividing the rotor into an interior corridor and a corridor exterior, means (24) for rotating the rotor on its axis, a body (22) surrounding the rotor and comprising two plates (26) with sectors located at opposite ends of the rotor and extending radially in order to separate a current hot gas from a secondary air stream flowing axially through the rotor, two short sector plates (54) disposed in the secondary air stream, and circumferential sealing means (63) which extend in an arc so to connect the ends of the plates to short sectors to define a corridor for a stream of primary air under high pressure, substantially surrounded by secondary air. 2. Appareil d'échange de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux premières plaques à secteurs et les plaques à secteurs courts s'étendent sur des arcs de cercle dimensionnés de façon å couvrir l'espace compris entre des diaphragmes adjacents du rotor. 2. Heat exchange device according to claim 1, characterized in that the first two sector plates and the short sector plates extend over arcs of a circle dimensioned so as to cover the space between adjacent diaphragms rotor. 3. Appareil d'échange de chaleur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les extrémités extérieures des plaques à secteurs courts sont situées radialement vers l'intérieur des extrémités des premières plaques à secteurs. 3. Heat exchange apparatus according to claim 2, characterized in that the outer ends of the short sector plates are located radially inward of the ends of the first sector plates. 4. Appareil d'échange de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi cylindrique divisant le rotor est alignée concentriquement sur les moyens circonférentiels d'étanchéité reliant les extrémités des plaques à secteurs courts.  4. Heat exchange device according to claim 3, characterized in that the cylindrical wall dividing the rotor is aligned concentrically with the circumferential sealing means connecting the ends of the plates with short sectors.
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